煤礦煤巷錨桿支護技術研究與實驗

引言
　　錨桿支護是煤巷掘進過程中，用以維持頂板和圍巖穩定性，提高礦井作業安全系數的重要技術措施。它利用錨桿與圍巖的共同作用，充分調動和發揮圍巖自身承載能力，使圍巖由施載體轉化為承載體，達到限制圍巖變形、位移和裂縫的目的。錨桿支護作為煤巖巷道工程的一種支護方式，由于其勞動強度低、成巷速度快、巷道斷面利用率高、回采面的端頭維護工藝簡單、可明顯改善作業環境和安全生產條件等特點，因此得到了大力的推廣應用。但是在實際生產過程中，由于現場條件與理論層面存在差異，往往容易出現錨桿支護設計方法不合理、錨桿支護安全系數低、錨桿機具設備不配套、支護參數不合理等問題。
　　為了在煤巷掘進過程中盡力規避以上問題，本文結合煤巷支護設計要求，以西部某煤礦4202工作面錨桿支護任務為例，通過支護試驗確定支護參數，大大提高了錨桿支護的科學性，使巷道作業更加安全。
　　1 煤巷錨桿支護現狀
　　1.1 現有錨桿支護設計方法不完善，欠規范
　　目前關于錨桿支護的相關理論有很多，比如組合梁作用理論、圍巖松動圈支護理論和懸吊理論等，雖然這些理論有利有弊，都有一定的適用范圍，但是并不能從根本上控制所有地址條件下的圍巖變形，面對這種形勢，必須針對現有錨桿支護設計方法不完善、欠規范等問題，有針對性地采取應對措施，即科學合理地劃分煤層和頂板類別，運行信息化設計方法，從巖層屬性、地壓來源、地壓活動基本規律入手，完善、規范錨桿支護設計過程，使支護體系和施工工藝不斷適應圍巖變形的活動狀態。
　　1.2 錨桿支護的安全性不高
　　①錨桿及其附件加工不規范，包括：錨桿桿體和螺紋部分不等強；托盤加工粗糙，強度低；錨桿支護附件的剛度偏小等。
　　②錨桿支護監測設備性能不高、可靠性差，嚴重制約了我國錨桿支護工程的驗收質量和安全可靠性，正因為錨桿支護監測設備對整個施工質量的影響巨大，我國一直以來都十分重視對錨桿支護監測設備的研發工作，相繼研發了很多的相關設備，但是這些設備普遍存在性能不高、功能不齊全、可靠性低等問題，嚴重影響了我國錨桿支護的安全、可靠水平的提高。
　　錨桿支護的安全性不僅要保證錨桿支護的規范性，也要確保支護附件的剛度。面對這種形勢，相關部門應及時采取有效措施，首先針對錨桿支護及其附件制定相應的質量標準，規范生產流程，同時加強監測和監督工作，進而提高錨桿支護的安全性。
　　1.3 錨桿機具研發進展慢、設備不配套
　　眾所周知，錨桿機的性能直接影響著錨桿安裝質量和施工速度。現階段，我國的錨桿機主要還是以單體錨桿鉆機為主，造成這種現象的原因主要是因為雖然我國也有電動、液壓錨桿鉆機等，但是這些先進錨桿鉆機的性能結構還并不盡如人意，且其機械化和自動化程度也不夠高，因此較少得到應用。不可否認，我國現有的錨桿鉆機無法從哪個方面比較都落后于國外同類產品。究其原因，本文發現國外不僅十分關注各種具體用途的錨桿結構型式，也很注重對錨桿鉆裝機的研發工作。反觀我國，錨桿機具研發進展慢、設備不配套的問題屢屢得不到解決，這就要求相關部門必須組織相關團隊，不斷攻關和研究錨桿機具，使其安全性得到有效保證。
　　1.4 提高施工、管理人員的理論水平
　　人為因素也是制約巷道安全支護的一個重要原因，一線操作人員動作不規范、管理人員對監測設備認識不足等問題，都可能嚴重影響到施工的安全性。因此，要想保證施工和相關設備的安全性，提高施工、管理人員的理論水平和實踐能力是當務之急，通過提高施工、管理人員的理論水平，促使整個施工過程更加系統化和規范化。
　　2 改進建議
　　2.1 錨桿支護工程質量檢測與監測技術的研究
　　由于錨桿支護屬于隱蔽性工程，一旦施工不當或者不合理，很可能會造成嚴重的施工安全事故，在這種情況下，施工后進行工程質量檢測是必要的。監測巷道圍巖的變形和破壞狀況、錨桿受力分布和大小在施工過程，獲得支護體和圍巖位移和應力信息，驗證初始設計的合理性和可靠性，結合修正的設計效果為新設計提供依據；檢測是監督施工質量的重要內容，是保證錨桿支護安全可靠的重要手段，必須制定有規范、科學的工程質量檢測方案。錨桿工程質量檢測主要為錨桿的錨固性能和安裝質量，礦壓監測主要包括圍巖位移、錨桿受力、圍巖應力監測等內容。 　　當前國內外相繼研發了很多的儀器儀表，這些儀器儀表性能良好，但是良好的儀器儀表也得由人操作，只有良好的性能加上規范的操作，才能有效保證施工安全，這就要求相關部門加強對現場人員和管理人員的培訓，使其真正意識到自身崗位的重要性，加強監測工作，規范施工流程，保證施工安全。
　　2.2 研發新型錨桿鉆機及其配套設備
　　與發達國家相比，我國現有的錨桿鉆機還存在很多不足，比如效率低、鉆進速度慢等，因此研發新型錨桿鉆機及其配套設備刻不容緩。要求研發的新型錨桿鉆機及其配套設備不僅要滿足錨桿支護的要求，還要實現快速掘進。設計上要從“三高一低”的現代錨桿支護設計理念轉變，不斷提高支護設施工的機械化程度。所謂“三高”就是高強度、高剛度、高可靠，“一低”是低密度。優選施工機具、優化施工工藝，采用快速安裝機具與工藝進行研發，是實現錨桿支護施工速度的有效途徑。
　　2.3 加強施工人員的業務知識培訓和現場技術管理
　　一方面加強施工和技術人員業務知識培訓，另一方面要求工人嚴格按施工組織設計施工。在錨桿的安裝時，要嚴格按照施工順序和操作程序施工，無論是幫部錨桿或者頂部錨桿，在合理使用打眼錨桿機的同時，要做到如下幾點很重要：①杜絕干打眼，保證在風水電正常情況下工作；②在裝樹脂藥卷時，一定要把藥卷的順序搞對，快速和中速的不能搞混；③按要求安裝完錨桿后，必須用預應力扳手將錨桿托盤螺絲擰緊，使其緊貼巖面，達到預應力值。
　　3 案例分析
　　錨桿支護設計方案是一種全新的、結合了現代信息技術的設計理念，它有效克服了其它設計方法中參數取值偏差大的缺點，步驟如下：①全面分析基礎地質技術數據，將數據分為最佳條件及最差條件，通過工程類比的方法得出錨桿的初始參數；②不斷進行現場實測，獲得應力、同巖、支護三者相互作用結果的綜合信息，包括對現場監測錨桿的預應力設計參數分析、現場施工過程中高應力錨桿支護效果分析、高應力錨桿支護滯后預緊效果分析，再與實際觀測信息進行比較，評價支護效果；③依據支護效果評價，利用計算機重新調整巷道已掘進部分設計的錨桿支護參數，形成支護反饋信息，結合調整的設計參數去指導預支護部分的設計參數，具體流程詳見圖1。
　　3.1 西部某煤礦4202工作面錨桿支護試驗
　　3.1.1 地質概況
　　我國西部某煤礦4202工作面位于采區上部，上方為高80m的防水煤柱，而下方為4206總左面與采空區，東部采區邊界為斷層，西部則同另一礦區相連。在該工作面中，其長度為905m，傾斜度165m，煤層厚度平均8.2m，煤層偽頂為泥巖類型，厚度0.5m，土質材質而細砂巖以及粉砂巖，厚度分為為4.5m與5.2m，老頂土質類型為中砂巖，厚度為12.2m。
　　3.1.2 數值模擬煤巷支護參數
　　根據已經建立的模型，本文對軌道進行了一定的模擬工作，其中。4202軌道錨桿支護所具有的參數為：頂板有菱形金屬網以及M型鋼帶作為支護，錨桿規格為？準20*2100mm，錨桿預拉力2.5t、錨桿間距為1000mm、排距為1200mm，兩邊各有兩根無縱筋金屬螺紋鋼錨桿，且不具有金屬網，規格為？準20*1600mm，錨桿排距為1000mm，錨桿間距為1200mm，其設計斷面如圖2所示。
　　經過數值模擬結果，可以得到，巷道底角多具有最大壓力為11.37MPa，頂板中心最大拉力為7.07MPa，頂板兩幫移近量為144mm，頂板移近量為101mm，而在錨桿支護范圍之內，無論是外部還是內部都沒有出現離層，整個巷道具有著較為穩定的特點。但對于拉應力來說，其則會超出煤體抗拉強度，即在巷道頂板建設方面需要通過菱形金屬網以及M型鋼帶的應用對其進行聯合支護，以此對巷道所具有的穩定性作出保障。
　　3.2 煤礦工作面錨桿支護參數設計
　　3.2.1 地質概況
　　原巖應力：最大水平住應力α1=14.14MPa，方位角N123°。，第二水平主應力α2=7.81MPa，垂直主應力α3=13.1MPa。巷道煤巖力學性質為E底板=1.44×1010Pa，E頂板=1.44×1010Pa，E煤=6.9×109Pa，節理面法向剛度KN=1.9× 108Pa，節理面切向剛度KN=1.9×108Pa。巷道尺寸：寬高位4000×3000mm2，巷道支護形式為：頂板6根錨桿，兩幫各3根錨桿。巷道走向方向為N35°。錨桿規格為；頂板？準20×2500mm；兩幫？準20×1800m。
　　3.2.2 模型計算
　　在現有模型基礎上，本文再一次通過ANSYS軟件的應用進行數值模擬工作，并獲得了以下結果：第一，當錨桿間排距為0.7m、預應力為2t的情況下，在巷道頂板以及內基錨桿支護范圍都存在著較為明顯的離層，且巷道底板夾角處所具有的壓力為11.78MPa，頂板中點位置所具有的最大拉力為2.154MPa，頂板、底板所具有的移近量為282mm，而兩幫移近量為156mm。經過對上述數據的計算與研究，可以發現，巷道頂底板間所具有的離層距離較大，不能夠對該巷道所具有的穩定性進行保證。
　　第二，當錨桿排距0.7m、預應力為6t時，巷道頂板中心位置所具有的最大拉力為2.12MPa，同預應力2t數值比較來說，其在應力的集中方面具有一定的下降，雖然其兩幫以及頂底板所具有的移近量會具有一定的減小，但在頂板位置依然具有少量的離層現象存在。
　　第三，錨桿預拉力為12t，間、排距為0.8m時，巷道頂板中點最大拉應力為1.472MPa，底角最大壓應力為1.252MPa。巷道周邊應力集中程度明顯降低，頂底板及兩幫的移近量也明顯減小，巷道頂板不出現離層現象，表明巷道處于穩定狀態；第四，錨桿預緊力6t，排距為0.6m時，巷道項板中點最大拉應力為2.26MPa，底角最大壓應力為11.73MPa，巷道周邊應力略有降低，巷道周邊變形量較大，巷道不產生離層現象，表明巷道處于穩定狀態。 　　在經過上述情況、數據的分析之后，可以了解到，在4213巷道中，以頂板6根錨桿方式進行支護的情況具有著較好的支護效果，所具有的支護形式也比較合理。
　　3.3 井下試驗結果
　　在對井下巷道開展變形觀測工作后，可以看到4202工作面軌道順槽頂板所具有的最大下沉量為28mm，平均下沉量為17mm，而巷道兩幫移近量的最大97mm，平均移近量為78mm。而在此基礎上通過我們開展的觀測工作可以看出，巷道由于受到超前動壓影響，整個巷道在工作過程中具有著較好的運行狀況，在整個觀測期間沒有發生片幫以及冒頂等現象，對于巷道內部行人、通風以及貨物運輸的需求都進行了良好的滿足。
　　由此可以看到，這種兩節鐓頭式錨桿對于煤巷跨度較大的情況具有著較為適用的特點，且錨桿無論是在排距方面還是間距方面都相對較大，在施工施工中對于錨桿需求、以及應用的數量要求都較少，非常適合快速安裝，且在此基礎上在對人、物資源進行較好節約的基礎上能夠獲得更大的經濟效益（優化設計效果詳見表1）。
　　結論
　　對于煤巷錨網支護技術來說，其對于以往的支護理論以及支護形式具有著較大的突破，不在是以較為消極的方式對圍巖壓力進行承受，而是能夠在對圍巖穩定性以及完整性進行盡量保持的基礎上對圍巖力學形態變化進行積極的控制。而在實際煤礦巷道支護工作開展中，也需要能夠對該種方式的良好運用獲得更好的工作效果。